量子计算机和传统电子计算机有什么区别?

发布时间:2022-09-19 10:36:29 【来源:杨叔洞察】

  杨叔洞察,以理服人,大家好,我是军武次位面主编杨叔,和你一起在B站洞察世界。那前段时间我们国家研制的“九章”量子计算机高调曝光,性能冠绝全球。虽然“九章”其实只是一个原型机,目前只能解决几个特定的问题,但它依然是当今世界上运算速度最快的量子计算机,比第二名谷歌的“悬铃木”快100亿倍,一时间引起全民热议。那“九章”一出来,很多朋友都不明白这玩意到达有什么用?不就是个计算机嘛!但是懂行的人都知道这事的重大意义。为了让大家对量子计算机有系统的了解,下面我将分几期和大家详细聊一下这个话题。

  那首先,量子计算机和传统电子计算机到底有什么区别呢?我们从最基本的原理看:手机、电脑、超级计算机的运算都是由芯片控制的。指甲盖大小的芯片上要容纳十亿甚至数十亿的晶体管,每个晶体管都是纳米级别的“开关”电路。高压通电,表示1,低压不通,表示0。这种介于导电和不导电之间的材料就叫半导体,所以现在的电子工业又叫半导体工业。那由这些简单的“开关”可以构成10种逻辑门电路:与门、或门、非门、与或门、与非门、与或非门等等。这种二进制的命令,叫机器语言,只能做简单运算,需要再加上每个硬件配属的汇编语言,C++、JAVA、Python(爬虫)等高级语言等进行更复杂的计算。简单来说,就是用一层比一层复杂的控制,让计算机在二进制的基础上,进行各种运算。

  那传统计算机最底层的“小开关”最早是用电子管,体积非常大,你像世界上第一台计算机里面装了18000个电子管,占地170平米,重量30吨。后来升级为硅材料制作的晶体管,而且越做越小,目前主流的芯片是10纳米、7纳米级别,而最先进的CPU已经用上了5nm的工艺。

  哎!说到这里,学计算机、软件的同学应该非常熟悉了。归根结底,传统计算机最根本电路其实和我们墙上开关的性质是一样的,它的开关数量越多,运算能力就越强。《三体》里面用最简单粗暴的人列计算机为我们揭示了这个原理。你像有一个著名的“摩尔定律”:每过18个月,集成电路上元器件的数量就会增加一倍,运算能力也翻倍。所以,对于传统计算机来说:在同样大小的芯片上,你光刻的精度越高,能容纳的晶体管越多,芯片的运算速度就越快。

  但是:晶体管并不是能无限缩小的。因为你再小也不能小过原子的直径吧,已知硅原子的直径大约是0.22纳米,考虑到原子之间的距离,理论上极限至少是0.5纳米。而在实际应用中,在5纳米以下时,晶体管就有些“关不住”电子了,电子可以不受晶体管的约束,四处乱跑。简单说就是:因为距离太近,这个小开关失灵了,这个现象在量子力学中有一个专业名词叫“量子隧穿”。所以由此可见:在可预见的未来,传统的电子计算机一定是有它的技术天花板的,摩尔定律事实上已经失效了。即使用石墨烯等新材料替代,也会遇到同样的瓶颈。如果想要突破这种限制,就得依靠技术思路完全不一样的量子计算机了。

  这量子计算机有多重要呢?举个大家熟悉的例子,《三体》里面有这样一个情节:三体人通过智子干扰科学家的对撞试验,使得人类无法进一步探究微观粒子内部的秘密,也就无法研制出量子计算机。200年后,即使人类造出采用核聚变的太空舰队,依然用的是电子计算机。面对三体人利用物质强相互作用力原理制造出的水滴,人类庞大的恒星舰队瞬间被无情团灭。所以如果两个文明的基础科学存在代差,结果就是:毁灭你,与你何干!你像科技大咖吴军在他的《全球科技通史》里面就说过:人类文明的进步取决于两条线——能量和信息。一方面是能量利用效率的提高,另一方面就是信息处理效率,前者要想获得突破,目前公认的最大希望是核聚变反应堆,而后者的关键就是量子计算机。其实你从历史上看:人类社会进步的本质就是出现了一种新的制度来组织协调更多的民众,让从乌合之众变为组织力更高的团体。

  你像我们的智人祖先为什么能在个体不占优势的情况下战胜比自己更强壮、更聪明的尼安德特人呢?因为智人拥有效率更高的信息传播手段:由家庭构成小部落,并演化出了信仰体系,使得群体中更多的人相信虚构出来的东西,大家可以团结一心,突破150的邓巴悉数,所以数以万计的智人可以被共同的信仰组织起来修建像金字塔、万里长城这样的建筑。而尼安德特人因为信息传播能力有限,最多只能组成15到20人的小团体,当然不是我们祖先的对手啦。当然我这扯得有点远啦,延伸到今天的话题就是:无论对于当下科技的进步,还是人类文明的未来发展,量子计算机在一定程度上是起决定作用的。

  下面呢,我就从最基本的原理来解释一下量子计算机。那上面我说过:电子计算机的单个运算元件是晶体管,而量子计算机的运算元件,是电子、原子、光子这种有能量、有“行为”的微观粒子,统称为量子。那电子计算机是通过电路的开关来表示0和1,而量子计算机是利用粒子的自旋方向、偏振方向等“行为”来表示0和1。比如顺时针旋转代表1,逆时针旋转代表0。而且这个量子到底是1还是0,是处于一种随机状态,我们都知道:量子力学里面有一个著名的“测不准定律”,薛定谔的猫,你无法判断它到底是死的还是活的,只能说生死各占50%。所以上面我们说的量子是0还1的问题,就只能通过大量实验,最后得出统计结果:0和1各占50%。那另外再补充一个很有趣的知识点:如果在量子计算机运算的过程中,加入了人为的观察,无论是直接观察还是利用仪器间接观察,量子都会失去0或1的随机状态,变成1或者0,那量子计算的前提就不存在了。这也是量子力学最让人觉着“玄学”的地方:人对过程的观察,会直接导致实验失败,更有甚者,没有科学素养的“玄学家”,趁机武断的说这证明了“人的意念力”,看我发功。

  那如果从科学史的角度看:我们现在对量子力学的认知程度,就相当于17世纪的人们通过观察总结,归纳出了开普勒三定律,但完全不知道这些天体为什么要这么运行。直到牛顿推导出万有引力定律,用公式揭示了这种现象背后的本质。所以现在量子测不准“定律”其实是一种更宏大的物理学体系的表象。我们现在仅仅可以利用量子的这些特性来研究量子通信、量子计算机、量子传感器等技术,但知其然而不知其所以然,无法用一套公式完美解释这些量子力学现象,毕竟这是爱因斯坦穷尽毕生之力也没有做到的事,所以目前人类对量子力学的研究其实只是皮毛。那些研究量子力学的科学家,比如玻尔,他就说过:如果谁在学习量子力学时不觉得困惑,说明他根本就没懂。咱们国家现在量子通信的领军人物潘建伟也说过:自己不懂量子力学。当然这些科学家的不懂量子力学不是一般意义上的不懂,而是不明白量子世界为何会是这个样子。那扯远啦,如果大家对量子力学感兴趣,我推荐一本量子力学的科普读物《上帝掷骰子吗》。

  那再回到我们今天的话题—量子计算机。我们都知道,要想提高电脑的性能无非三个办法:第一个是增加储存容量,就是加硬盘,2T、3T、10T,存更多的游戏电影;第二个是提高存储数据的速度,就是上DDR4 4000赫兹以上的内存,上固态,3000MB每秒的固态;第三个是提高运算速度,就是用更好的CPU,认准英特尔i9,AMD线程撕裂者。

  那传统计算机在储存数据方面,最基本的单位是比特,用0或1表示,两个比特就有00、01、10、11四种可能,但只能保存一个可能性。现在我用量子存储,那可就不同啦。因为在未观测前,量子的状态不确定,可能是1,也可能是0,量子处于0和1 共有的状态,这个就叫量子的“叠加态”。那1个量子比特就能储存0/1两种可能,2个量子比特就是2的平方:00、01、10、11四种可能;3个量子比特就是2的三次方,八种可能。以此类推:N个量子比特,就能保存传统比特2N次方倍的数据,而且每增加一个量子比特,存储能力就乘2。理论上:只要300个量子比特就能数清宇宙所有的原子。

  那上面说的是量子计算机在存储方面的优势,而在运算方面,传统计算机由于是“开关电路”的模式,一次只能输入一个数据,通过运算只能得出一个确定的结论。下面我举一个实际例子说明:比如公共场所的监控摄像头拍到了1万个人脸,我们要在这其中找到10名犯罪嫌疑人,那传统计算机就需要将1万张照片和10目标一一比对,需要10万次比对,也就是10万次计算。如果计算机只有2个核心,等效要算5万次。所以我们现在电脑、手机的CPU基本都是4核、6核、8核了,就是为了可以同时进行多个运算,提高并行处理问题的能力。

  而量子计算机可就不一样了:1万张人脸,我只要14个量子比特就能储存16384个数据。每个人脸转化为量子数据后,相当于一组量子比特。而另一边的一组有10个目标,也转换为一组量子比特,理论上,我只要设计好算法,这两组量子比特,只要一次计算,就可以找到10个配对的目标。当然啦,因为量子计算机算出的结果不能直接读取,只能多算几次,统计最大概率的结果,由此再得出确定的结论。

  所以相比传统计算机,量子计算机相当于将10万次的运算浓缩到一次,但是这个一次运算,需要多次取样,排除干扰再选取结果。但即使这样,也比传统计算机快了万倍,而且随着量子比特的增加,量子计算机的速度甚至没有上限。像我们的“九章”,它计算“高斯玻色取样”问题的速度比目前最快的日本超级计算机“富岳”快一百万亿倍。也就是说,超级计算机需要一亿年完成的任务,“九章”只需一分钟。

  讲到这里,很多朋友就要说啦:这么逆天的计算机,用来打游戏岂不爽歪歪。哎,少年好想法,中科大量子信息国家实验室欢迎你!那我上面说的这些内容,其实只是用最通俗易懂的语言把量子计算机的基本原理给大家解释了一下,而关于量子计算机的具体设计方案、制造难度,还有大家最关心的,这货未来能干嘛,能给我们带来怎样的变化,我们下期接着聊。

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